專利名稱：一種平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于直接碳燃料電池技術領域，具體涉及一種平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，。
背景技術：
能源是國民經(jīng)濟的支柱，是人類社會發(fā)展所必需的推動力。我國是世界上少數(shù)以煤為主要能源的國家，約占一次能源總量的70%以上，且在未來相當長的一段時期內(nèi)，我國以煤炭為主的能源現(xiàn)狀難以改變。與發(fā)達國家相比，我國燃煤發(fā)電利用效率較低，能源浪費和環(huán)境污染狀況嚴重。因此，探索清潔、高效的煤炭利用方式勢在必行。目前，燃料電池是世界上清潔能源技術研究熱點之一，它將燃料中的化學能直接轉化為電能，具有能量轉換效率高、潔凈無污染、噪聲低、模塊結構性強等優(yōu)點，有望成為未來能源供應系統(tǒng)的重要組成部分。其中，固體氧化物直接碳燃料電池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell, SO-DCFC)采用固體碳作為燃料，將其中的化學能直接轉化為電能，其獨特優(yōu)勢在于理論效率更高；固體碳燃料體積小、熱值高，有望通過對儲量豐富的煤炭進行簡單加工處理而得到，燃料來源廣泛；高溫下電解質為固態(tài)，避免了液體電解質的腐蝕與泄露；有利于二氧化碳的富集與減排。因此，如果固體氧化物直接碳燃料電池能夠實現(xiàn)以煤為燃料的商業(yè)化應用，將革命性地改變傳統(tǒng)能源利用方式，實現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源利用和燃料電池技術的完美結合，有力緩解我國油氣資源緊張現(xiàn)狀，提高能源利用效率，減輕CO2減排壓力。因此，固體氧化物直接碳燃料電池發(fā)電技術的研究對能源技術進步和國家能源安全具有重要意義。直接碳燃料電池的歷史可以追述到19世紀末。1965年，Zahradnik等人最早提出將煤氣化單元和高溫固體氧化物燃料電池相結合的系統(tǒng)。1988年，Nakagawa等人將木炭置于固體氧化物燃料電池陽極腔體中，驗證了這一過程。2003年，Chuang等人在單電池實驗中采用固體氧化物電解質，將碳燃料顆粒放置于陽極表面，獲得較好的電池性能。2007年， Gur等人提出采用管式固體氧化物燃料電池的流化床直接碳燃料電池設計，以加快反應器內(nèi)的傳熱傳質過程，改進電池性能。2009年，王紹榮等人在傳統(tǒng)陽極支撐型管式固體氧化物燃料電池中裝滿商業(yè)炭黑，制備了一種直接碳燃料電池。受電池材料與技術發(fā)展限制，目前國內(nèi)外固體氧化物直接碳燃料電池研究多停留在單電池設計和實驗研究階段，燃料電池堆設計較少。同時，與傳統(tǒng)使用氣體燃料的燃料電池不同，直接碳燃料電池在實際應用過程中面臨著固體碳燃料的連續(xù)給料問題，給燃料電池堆的設計帶來進一步困難。固體氧化物燃料電池根據(jù)幾何結構的不同常分為管式和平板式兩種類型。其中， 管式電池易于分割陰陽極腔體、密封簡單，可通過對氣體燃料電池堆結構的簡單改造而得到直接碳燃料電池堆，因此，已有直接碳燃料電池堆設計思路中多采用管式固體氧化物燃料電池。而使用氣體燃料的平板式燃料電池堆中陰、陽極腔體結構復雜、流道冗長，無法滿足固體燃料的給料需求，目前尚未有相關報道。但是，與管式燃料電池相比，平板式燃料電池技術相對成熟，國內(nèi)外相關研究最為廣泛。因此，平板式固體氧化物直接碳燃料電池堆的設計對該技術發(fā)展就有重要意義。此外，在直接碳燃料電池堆結構設計中，期望進一步改善陽極碳燃料傳質過程、增大碳燃料反應速率，以進一步提高電池堆的性能，這一點可通過借鑒化工領域中較為成熟的鼓泡床技術實現(xiàn)。鼓泡床技術是在反應器底部安裝布風板，當氣體以一定速度流過布風板時，布風板上固體顆粒床料進入流化狀態(tài)，氣體以鼓泡方式通過床料，床料劇烈運動，可加速反應發(fā)生和傳熱傳質過程。由于鼓泡床的獨特優(yōu)點，使得該技術在化工領域得到廣泛應用。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種能夠解決直接碳燃料電池采用平板式單體電池組堆的困難，以及固體碳燃料的連續(xù)給料問題；加強電池堆內(nèi)部傳熱傳質過程，提高電池堆整體性能；同時要求設備簡單、易于實現(xiàn)，確保電池密封和集流，便于組成大規(guī)模電池組的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆。為達到上述目的，本實用新型采用的技術方案是包括下端帶有陽極載氣入口、上端帶有陽極載氣出口的鼓泡床，在鼓泡床四周壁面上規(guī)則開設的與平板式燃料電池單體尺寸相匹配的矩形孔，平板式燃料電池單體安裝于鼓泡床壁面開孔處，平板式燃料電池單體的陽極面向鼓泡床內(nèi)部，陰極面向鼓泡床外部，各壁面平板式燃料電池單體的陰極、陽極依次與集流導線相連，在各壁面平板式燃料電池單體連接后鼓泡床四個壁面的平板式燃料電池單體再經(jīng)集流導線串聯(lián)組成電池堆引出電池堆正、負極輸出導線，在鼓泡床的下端設置有布風板，布風板的上端鋪設有固體碳燃料。本實用新型的平板式燃料電池單體與鼓泡床壁面相結合處采用高溫陶瓷膠密封。所述的平板式燃料電池單體的陽極、陰極表面分別印有網(wǎng)格狀集流銀漿，集流導線通過焊接點與陰極、陽極表面的網(wǎng)格狀集流銀漿緊密接觸。所述的集流導線通過壁面導線孔穿過鼓泡床壁面，并用密封膠密封，鼓泡床各壁面垂直方向上的平板式燃料電池單體串聯(lián)連接，串聯(lián)后的各列平板式燃料電池單體在水平方向上并聯(lián)。所述的陽極載氣出口通過載氣再循環(huán)與陽極載氣入口相連通。所述的陽極載氣為CO2、H2O, N2混合而成，其中H2O占0 % 30 %、CO2占0 % 100%, N2 占 0% 100% ；所述固體碳燃料為石墨、炭黑、焦炭或煤。所述的平板式燃料電池單體由陽極、陰極以及設置在陽極與陰極之間的電解質組成。所述平板式燃料電池單體包括陽極支撐型、電解質支撐型或陰極支撐型平板式燃料電池單體；所述的陽極支撐型平板式燃料電池單體的陽極最厚，起支撐作用，陰極和電解質相對較薄；陽極與電解質具有相同面積，陰極面積略小于陽極和電解質，其中電解質與鼓泡床壁面緊密接觸；所述的電解質支撐型平板式燃料電池單體的電解質最厚，起支撐作用，陰極和陽極相對較薄；電解質具有較大的面積，而陰極和陽極面積略小于電解質，電解質與鼓泡床壁面緊密接觸；所述的陰極支撐型平板式燃料電池單體的陰極最厚，起支撐作用，陽極和電解質相對較??；陰極與電解質具有相同面積，而陽極面積略小于陰極和電解質，電解質與鼓泡床壁面緊密接觸。本實用新型的優(yōu)點在于使所有電池單體陽極公用同一腔體，解決直接碳燃料電池采用平板式單體電池組堆的困難；鼓泡床內(nèi)固體碳燃料始終處于鼓泡流態(tài)化，加強電池堆內(nèi)部傳熱傳質過程，提高電池堆整體性能，特別是解決了固體碳燃料的連續(xù)給料問題；同時電池堆結構簡單、設備要求低、易于實現(xiàn)，便于組成大規(guī)模電池組。

圖1是本實用新型的整體結構示意圖。圖2是本實用新型壁面?zhèn)纫暯Y構示意圖。圖3是本實用新型壁面外側(陰極側)結構示意圖。圖4是本實用新型壁面內(nèi)側(陽極側)結構示意圖。圖5是實施例1中陽極支撐型平板式燃料電池單體及其連接結構示意圖。圖6是實施例2中電解質支撐型平板式燃料電池單體及其連接結構示意圖。圖7是實施例3中陰極支撐型平板式燃料電池單體及其連接結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步詳細說明。參見圖1-4，本實用新型包括下端帶有陽極載氣入口 5、上端帶有陽極載氣出口 10 的鼓泡床1，在鼓泡床1四周壁面上規(guī)則開設的與平板式燃料電池單體2尺寸相匹配的矩形孔，平板式燃料電池單體2由陽極14、陰極12以及設置在陽極14與陰極12之間的電解質17組成，平板式燃料電池單體2安裝于鼓泡床1壁面開孔處，平板式燃料電池單體2的陽極14面向鼓泡床內(nèi)部，陰極12面向鼓泡床外部，平板式燃料電池單體2與鼓泡床壁面11 相結合處采用高溫陶瓷膠18密封，平板式燃料電池單體2的陽極14、陰極12表面分別印有網(wǎng)格狀集流銀漿16，集流導線3通過焊接點15與陰極12、陽極14表面的網(wǎng)格狀集流銀漿16緊密接觸，所述的集流導線3通過壁面導線孔13穿過鼓泡床壁面11，并用密封膠19 密封，鼓泡床1各壁面垂直方向上的平板式燃料電池單體2串聯(lián)連接，串聯(lián)后的各列平板式燃料電池單體2在水平方向上并聯(lián)，在各壁面平板式燃料電池單體2連接后鼓泡床1四個壁面的平板式燃料電池單體2再經(jīng)集流導線3串聯(lián)組成電池堆引出電池堆正、負極8、7輸出導線，在鼓泡床1的下端設置有布風板4，布風板4的上端鋪設有石墨、炭黑、焦炭或煤固體碳燃料9，陽極載氣入口 5通過布風板4將陽極載氣送入鼓泡床1內(nèi)，吹動固體碳燃料9 顆粒，使鼓泡床1內(nèi)的固體碳燃料9處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)，反應后的陽極載氣經(jīng)陽極載氣出口 10從鼓泡床1頂部流出，或通過載氣再循環(huán)6加以回收、循環(huán)利用。所述的陽極載氣為 C02、H20、N2混合而成，其中H2O占0% 30%、(X)2占0% 100%、N2占0% 100% ；該平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆工作溫度范圍為600°C 1000°C。工作時，通過布風板4的陽極載氣吹動固體碳燃料9顆粒，使其處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。此時，電池堆內(nèi)部(平板式固體氧化物直接碳燃料電池堆陽極側)發(fā)生碳燃料氣化反應和氣體電化學反應，形成一定陽極氣氛(含固體碳顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料)，同時鼓泡流態(tài)化也強化了固體碳燃料與電池陽極的接觸和氣體的傳質過程。電池堆外部(平板式固體氧化物直接碳燃料電池堆陰極側)直接接觸空氣，保證陰極氣氛。當電池堆接有外部負載時，電池堆外部(陰極側)氧氣從外電路得到電子生成02_，02_在濃度差和電勢差驅動下穿過電解質層到達陽極，在陽極與固體碳顆粒、一氧化碳、氫氣等燃料發(fā)生電化學反應， 同時向外電路放出電子，電子形成完整回路。以下是實用新型人給出的具體實施例。這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。應理解，在閱讀了本實用新型內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本實用新型做各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。實施例1，參見圖5，本實施例由48片陽極支撐型平板式燃料電池單體2組成，電池單體尺寸約IOcmX IOcm ；采用粒徑5mm 50 μ m的石墨作為固體碳燃料；陽極載氣組分為純CO2,反應后出口陽極載氣70%用于循環(huán)再利用；電池堆工作溫度為800°C。鼓泡床四周壁面均開有3X4個(水平X垂直)約IOcmX IOcm的矩形孔，陽極支撐型平板式燃料電池單體2分別安裝于鼓泡床壁面開孔處。平板式燃料電池單體2由陽極 14、電解質17、陰極12三層結構組成。其中，陽極14最厚，起支撐作用，以保證電池單體機械強度；陰極12和電解質17相對較??；陽極14與電解質17具有相同面積，而陰極12面積略小于陽極14和電解質17，以便于加工和密封。采用絲網(wǎng)印刷法在陰極12和陽極14表面分別印制網(wǎng)格狀集流銀漿16，集流導線3通過焊接點15與陰極12、陽極14表面的網(wǎng)格狀集流銀漿16緊密接觸，用于協(xié)助電流收集。將陽極14面向鼓泡床1內(nèi)部、陰極12面向鼓泡床1外部，從內(nèi)側安裝于鼓泡床壁面11開孔處并對結合處進行密封，將平板式燃料電池單體2的電解質17與鼓泡床壁面11緊密接觸，采用高溫陶瓷膠18進行密封，密封過程中確保面積較小的陰極12不與鼓泡床壁面11發(fā)生接觸。由于電解質17無法傳導電子，而陰極12和陽極14均不與鼓泡床壁面11接觸，實現(xiàn)了電池單體與鼓泡床壁面11的絕緣。通過集流導線3將各壁面垂直方向上燃料電池單體串聯(lián)，串聯(lián)后的各列平板式燃料電池單體 2在水平方向上并聯(lián)。在平板式燃料電池單體2串、并聯(lián)過程中，集流導線3通過壁面導線孔13穿過鼓泡床壁面11，并用密封膠19進行密封、絕緣。在各壁面燃料電池單體連接后， 再通過集流導線將鼓泡床四個壁面的電池進行串聯(lián)組成電池堆，引出電池堆正、負極輸出導線。布風板安裝在鼓泡床底部，將石墨燃料鋪在鼓泡床內(nèi)布風板上，入口陽極載氣通過布風板送入鼓泡床內(nèi)，吹動石墨顆粒，使鼓泡床內(nèi)的石墨燃料處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)。反應后出口陽極載氣從鼓泡床頂部流出，70%用于循環(huán)再利用。本實施例能夠保證平板式燃料電池單體2開路電壓在0. 9V以上。實施例2，參見圖6，本實施例由64片電解質支撐型平板式燃料電池單體2組成， 電池單體尺寸約8cmX8cm ；采用粒徑5mm 100 μ m的炭黑作為固體碳燃料；陽極載氣組分為70% C02+30% H2O,反應后出口陽極載氣50%用于循環(huán)再利用；電池堆工作溫度為 900 "C。鼓泡床四周壁面均開有4X4個(水平X垂直)約8cmX8cm的矩形孔，電解質支撐型平板式燃料電池單體2分別安裝于鼓泡床壁面開孔處。其中電解質17最厚，起支撐作用，陰極12和陽極14相對較?。浑娊赓|17具有較大的面積，而陰極12和陽極14面積略小于電解質17，電解質17與鼓泡床壁面11緊密接觸；其它連接關系同實施例1。本實施例能夠保證平板式燃料電池單體2開路電壓在0. 9V以上。實施例3，參見圖7，本實施例由100片陰極支撐型平板式燃料電池單體2組成，電池單體尺寸約9cmX9cm ；采用粒徑5mm 200 μ m的煤作為固體碳燃料；陽極載氣組分為 50% C02+30% H20+20% N2，反應后出口陽極載氣直接排空；電池堆工作溫度為1000°C。鼓泡床四周壁面均開有5X5個(水平X垂直)約9cmX9cm的矩形孔，陰極支撐型平板式燃料電池單體2分別安裝于鼓泡床壁面開孔處。其中陰極12最厚，起支撐作用， 陽極14和電解質17相對較?。魂帢O12與電解質17具有相同面積，而陽極14面積略小于陰極12和電解質17，電解質17與鼓泡床壁面11緊密接觸。其它連接關系同實施例1。本實施例能夠保證平板式燃料電池單體2開路電壓在0. 9V以上。
權利要求1.一種平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于包括下端帶有陽極載氣入口(5)、上端帶有陽極載氣出口(10)的鼓泡床(1)，在鼓泡床(1)四周壁面上規(guī)則開設的與平板式燃料電池單體(2)尺寸相匹配的矩形孔，平板式燃料電池單體(2)安裝于鼓泡床⑴壁面開孔處，平板式燃料電池單體⑵的陽極(14)面向鼓泡床內(nèi)部，陰極(12) 面向鼓泡床外部，各壁面平板式燃料電池單體O)的陰極(12)、陽極(14)依次與集流導線 (3)相連，在各壁面平板式燃料電池單體( 連接后鼓泡床(1)四個壁面的平板式燃料電池單體(2)再經(jīng)集流導線(3)串聯(lián)組成電池堆引出電池堆正、負極(8、7)輸出導線，在鼓泡床 (1)的下端設置有布風板G)，布風板的上端鋪設有固體碳燃料(9)。
2.根據(jù)權利要求1所述的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于 所述的平板式燃料電池單體⑵與鼓泡床壁面(11)相結合處采用高溫陶瓷膠(18)密封。
3.根據(jù)權利要求1所述的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于 所述的平板式燃料電池單體O)的陽極(14)、陰極(1 表面分別印有網(wǎng)格狀集流銀漿 (16)，集流導線(3)通過焊接點(1 與陰極(12)、陽極(14)表面的網(wǎng)格狀集流銀漿(16) 緊密接觸。
4.根據(jù)權利要求1所述的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于 所述的集流導線⑶通過壁面導線孔(13)穿過鼓泡床壁面(11)，并用密封膠(19)密封，鼓泡床(1)各壁面垂直方向上的平板式燃料電池單體O)串聯(lián)連接，串聯(lián)后的各列平板式燃料電池單體( 在水平方向上并聯(lián)。
5.根據(jù)權利要求1所述的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于 所述的陽極載氣出口(10)通過載氣再循環(huán)(6)與陽極載氣入口( 相連通。
6.根據(jù)權利要求1所述的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于 所述的陽極載氣為C02、H20、N2混合而成，其中H2O占0% 30%、(X)2占0% 100%、N2占 0% 100% ；
7.根據(jù)權利要求1所述的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于 所述固體碳燃料(9)為石墨、炭黑、焦炭或煤。
8.根據(jù)權利要求1所述的平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于 所述的平板式燃料電池單體⑵由陽極(14)、陰極(12)以及設置在陽極(14)與陰極(12) 之間的電解質(17)組成。
9.根據(jù)權利要求8所述的板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，其特征在于所述平板式燃料電池單體( 包括陽極支撐型、電解質支撐型或陰極支撐型平板式燃料電池單體；所述的陽極支撐型平板式燃料電池單體⑵的陽極(14)最厚，起支撐作用，陰極(12) 和電解質(17)相對較?。魂枠O(14)與電解質(17)具有相同面積，陰極(12)面積略小于陽極(14)和電解質(17)，其中電解質(17)與鼓泡床壁面(11)緊密接觸；所述的電解質支撐型平板式燃料電池單體O)的電解質(17)最厚，起支撐作用，陰極 (12)和陽極(14)相對較??；電解質(17)具有較大的面積，而陰極(12)和陽極(14)面積略小于電解質(17)，電解質(17)與鼓泡床壁面(11)緊密接觸；所述的陰極支撐型平板式燃料電池單體⑵的陰極(12)最厚，起支撐作用，陽極(14) 和電解質(17)相對較??；陰極(12)與電解質(17)具有相同面積，而陽極(14)面積略小于陰極(12)和電解質(17)，電解質(17)與鼓泡床壁面(11)緊密接觸。
專利摘要一種平板式鼓泡床固體氧化物直接碳燃料電池堆，屬于直接碳燃料電池技術領域，包括鼓泡床、平板式燃料電池單體、布風板、固體碳燃料等部件。平板式燃料電池單體安裝于鼓泡床四周壁面，陽極向內(nèi)、陰極向外；燃料電池單體通過集流導線構成串、并聯(lián)結構，保證電池堆所需工作電壓、電流；布風板安裝在鼓泡床底部，固體碳燃料鋪在布風板上，入口陽極載氣通過布風板送入鼓泡床內(nèi)，吹動固體碳燃料顆粒，使其處于鼓泡流態(tài)化狀態(tài)；電池堆可采用陽極支撐、電解質支撐或陰極支撐型平板式燃料電池單體，其工作溫度為600℃～1000℃。本實用新型結構緊湊合理，解決了平板式電池單體組堆的困難，同時實現(xiàn)了固體碳燃料的連續(xù)給料，設備要求低、易于實現(xiàn)。
文檔編號H01M8/10GK202004100SQ20112008722
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權日2011年3月29日
發(fā)明者徐越, 李晨, 王保民, 程健, 許世森 申請人:中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司